第一屆5G算法創(chuàng )新大賽：Polar Code賽事評述

　　通信的過(guò)程是在接收端準確或近似地恢復在發(fā)送端所選擇的信息的過(guò)程。信道編碼是保證信息在隨機信道上高效和可靠傳遞的基本手段，也是現代通信系統的主要技術(shù)特征之一。通過(guò)信道編碼，通信系統能夠可靠地對付信道噪聲等所引起的隨機差錯，同時(shí)有效利用功率和頻率資源從而逼近信道容量。信道編碼一直是通信領(lǐng)域的基礎和核心問(wèn)題，其每一次重大突破，都會(huì )引起通信系統的新一輪演進(jìn)或變革。例如，20世紀90年代發(fā)明的Turbo碼，極大地推進(jìn)了3G、4G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展;與Turbo碼同期被重新發(fā)現的LDPC碼則為WiMAX、DVB以及深空通信技術(shù)帶來(lái)了全新的傳輸體制。

　　圖 1 Polar Code——一種新型編碼技術(shù)

　　由E. Arikan在近年發(fā)明的Polar碼是繼Turbo碼之后編碼領(lǐng)域的又一重大突破。它作為第一種能夠嚴格被證明達到信道容量極限的編碼方案，具有很低的編譯碼復雜度和較好的譯碼性能。通過(guò)與循環(huán)冗余校驗(CRC)碼結合，能夠獲得超過(guò)Turbo碼和LDPC碼的糾錯能力。在譯碼復雜度相當的前提下，相比Turbo碼，Polar碼僅需更低的信噪比即可達到相同的誤碼性能：在無(wú)線(xiàn)通信常用的中長(cháng)碼配置下，能夠獲得大約0.5dB的增益;短碼配置下甚至能夠獲得大于1dB的增益。隨著(zhù)微電子器件工藝水平的提高、芯片處理能力的增加，通過(guò)采用相對更為復雜的譯碼算法，Polar碼還能進(jìn)一步取得大于1dB的增益;而Turbo碼則由于其譯碼算法收斂特性，即使付出額外復雜度，性能也難以有明顯提升。在硬件實(shí)現方面，Polar碼具有規則一致的編譯碼結構，這使得Polar碼能夠以相同的編譯碼器，以1比特為變化步長(cháng)，支持任意的輸入、輸出序列長(cháng)度，從而獲得更高的編碼增益。此外，Polar碼還能夠實(shí)現超低復雜度的高吞吐率譯碼，已有公開(kāi)報告表明，Polar碼譯碼器的最高吞吐率可達200Gbps以上!正因為如此，它有望成為5G無(wú)線(xiàn)通信系統新型編碼體制的有力競爭方案之一。

　　圖 2：典型編譯碼技術(shù)的性能比較

　　近年來(lái)，Polar Codes得到了國內外5G標準化研發(fā)機構和學(xué)術(shù)界的強烈關(guān)注。這也是第一屆5G算法創(chuàng )新大賽(http://www.innovateasia.com/5g/)的重點(diǎn)方向之一。我有幸被邀請參與了Polar Codes競賽專(zhuān)題的評審工作。盡管編碼技術(shù)的研究和實(shí)現門(mén)檻較高、難度較大，但此次5G算法創(chuàng )新大賽仍然吸引了境內外大量高水平隊伍參加，包括來(lái)自清華大學(xué)、香港科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、電子科技大學(xué)等幾十所高校，有十余支入圍隊伍均表現出較高的專(zhuān)業(yè)水準。從各參賽隊伍提交的材料和答辯的情況看，各參賽隊伍對極化碼的原理和算法都進(jìn)行了深入的研究和探索，部分還提出了頗具新意的譯碼算法和優(yōu)化的實(shí)現結構，比如通過(guò)改進(jìn)度量計算、存儲和排序以及控制等關(guān)鍵單元，獲得較優(yōu)的時(shí)間和空間復雜度以及較好的糾錯性能等等。難能可貴的是，這次有本科生隊伍脫穎而出入圍復賽，表現出其扎實(shí)的知識基礎、突出的鉆研精神和較好的培養潛力。這次大賽，反映了青年學(xué)子對通信領(lǐng)域新技術(shù)的極大熱情和求知欲望，也反映了由興趣驅動(dòng)、以問(wèn)題為導向的國家人才培養機制改革探索所取得的顯著(zhù)成效。這項活動(dòng)對5G無(wú)線(xiàn)通信的技術(shù)研究、知識普及和人才培養是一個(gè)極大的促進(jìn)。